58
Chương 3. Vật liệu bán dẫn
Giới thiệu chung
Vật liệu bán dẫn có cấu trúc vùng năng lượng nằm giữa hai loại vật liệu cách
điện và dẫn điện:
-Vùng hóa trị của bán dẫn hoàn toàn được lấp đầy điện tử
-Độ rộng của vùng trống tương đối hẹp (<2eV). Do đó các điện tử nằm trong
vùng hóa trị dễ dàng bị kích thích để di chuyển lên vùng dẫn để vật liệu trở
thành dẫn điện.
59
Chương 3. Vật liệu bán dẫn
1. Bán dẫn tinh khiết
Trong chất bán dẫn tinh khiết:
-Mỗi khi e di chuyển lên vùng dẫn để tham gia quá
trình dẫn điện sẽ để lại sau nó 1 lỗ trống trong vùng
hóa trị.
-Lỗ trống cư xử như 1 ion +
-Dưới tác dụng của E, e -> phải và h -> trái
-Hiện tượng này gọi là dẫn điện bằng lỗ trống (hole
conduction)
-Số lượng e ne= nh
Điện dẫn của bán dẫn tinh khiết
Khi đặt dưới điện áp trong bán dẫn tinh khiết xuất hiện
một dòng điện chạy qua nó. Quá trình dẫn điện do cả
hai loại điện tích điện tử và lỗ trống tạo nên. Dòng
điện tổng cộng chạy trong chất bán dẫn được viết dưới
dạng:
60
Chương 3. Vật liệu bán dẫn
Do J=nqv, nên công thức trên có thể viết lại thành:
Do trong chất bán dẫn tinh khiết số điện tử và số lỗ trống bằng nhau nên ne=nh=n,
Sử dụng định luật Ohm ta có:
Vì độ linh động μ của điện tích được đo bằng vận tốc có hướng của điện tích trên
một đơn vị điện trường:
Vì vậy điện dẫn của bán dẫn được viết dưới dạng:
Tên bán dẫn Si (silicon) Ge (germani)
Độ rộng vùng trống, eV 1,06 0,67
Độ linh động của điện tử (μe), m2/Vs 0,135 0,39
Độ linh động của lỗ trống (μh), m2/Vs 0,048 0,19
Mật độ điện tích (n), /m31,5.1016 2,4.1019
Điện trở suất (ρ), Ω.m 2300 0,46
Mật độ vật chất, g/cm32,33 5,32
Một số tính chất vật lý của Si và Ge ở nhiệt độ phòng
61
Vật liệu bán dẫn –Silicon (Si)
Chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi
trong các thiết bị điện, điện tử hàng
ngày như máy tính cá nhân, TV, điện
thoại thông minh, máy ảnh kỹ thuật số,
thẻ IC, vv…Vật liệu bán dẫn được sử rộng
dãi nhất trong ngành công nghiệp bán
dẫn là Silic (ký hiệu hóa học = Si). Silic là
nguyên tố phổ biến thứ hai trên trái đất
sau oxy. Hầu hết Silic được tìm thấy
trong đất và đá, nhưng nó cũng được
chứa trong nước tự nhiên, cây cối và
thực vật.
Cấu trúc đơn tinh thể là một cấu trúc trong đó các nguyên tử được sắp xếp một cách trật
tự trong không gian ba chiều, các đơn vị cơ bản trong cách sắp xếp này được gọi là mạng
tinh thể. Một đơn tinh thể là một mạng tinh thể trong một trật tự, sắp xếp liên tục.
Mạng tinh thể của Silic có cấu trúc lập phương giống cấu trúc tinh thể của kim cương,
trong đó mỗi nguyên tử Silic được liên kết với bốn nguyên tử silic gần nhất. Silic là một
nguyên tố rất phổ biến, và thường được sử dụng làm nguyên liệu chất bán dẫn vì cấu
trúc ổn định của nó
62
Chương 3. Vật liệu bán dẫn
2. Bán dẫn tạp chất
Do mật độ điện tích trong bán dẫn tinh khiết nhỏ, dòng điện chạy trong
nó cũng nhỏ nên ứng dụng của chúng rất hạn chế, vì thế bán dẫn tạp chất
đã ra đời.
Bán dẫn tạp chất có thành phần là chất bán dẫn tinh khiết có trộn thêm
một loại tạp chất còn gọi là chất kích thích (doping) để tăng đặc tính điện
của nó.
Có hai loại bán dẫn tạp chất là bán dẫn tạp chất loại n và bán dẫn tạp
chất loại p